合肥光源原子与分子物理光束线站发展喷雾进样高分辨光电离质谱实验方法
时间 : 2023-02-20     

过氧化氢是低温燃烧和大气自氧化过程中重要的中间产物,但由于具有高沸点、热不稳定等性质,且缺少纯的标准化学试剂,直接对气相中的过氧化氢进行定量分析存在着困难和挑战。鉴于间接的过氧化氢定量方法存在较大的不确定性,合肥光源原子与分子物理光束线站发展了喷雾进样高分辨光电离质谱实验方法,首次可靠地实现了过氧化氢光电离截面的直接测量,推动了燃烧和大气等方向对气相过氧化物和自氧化反应的研究。 

本工作利用压力差将过氧化氢水溶液通过石英毛细管空柱抽入低压流动管中,并利用惰性鞘流气体的快速膨胀,将经毛细管进入的液体快速变为若干小液滴,如图1a所示。该方法使样品的比表面积大幅增加,从而大大提高了气化的效率,实现了室温下过氧化氢的完全气化,避免使用高温造成其分解。相比于传统的气化室加热气化方法(温度通常要达到样品沸点),该方法避免使用高温造成样品分解;相比于鼓泡进样法,该方法可以适用于非纯样品。此外,石英毛细管(内径100 μm,外径0.4 mm)具有非常小的死体积以及低的表面活性,避免了传输管路对过氧化氢可能出现的化学分解的影响。随后气化后的样品经分子束取样进入高分辨光电离质谱进行分析。

 
 
  
图1. 喷雾进样-分子束取样低压流动管-同步辐射光电离质谱系统示意图 

获得的过氧化氢光电离截面如图2所示,相比于文献中间接方法测量的结果,本研究获得的截面结果小了2-3倍,计算出的浓度相应增大。如图3所示,使用文献截面计算得到的光电离质谱浓度结果与光腔衰荡光谱的结果相比有很大偏差(约4-5倍),而利用本研究得到的过氧化氢截面计算得到的浓度结果则更为接近(<2倍),避免了两种方法的巨大差异对研究人员造成的困扰。

 

 
 
  
图2. 过氧化氢绝对光电离截面

 
 
图3. 光腔衰荡光谱和同步辐射光电离质谱测量的过氧化氢摩尔分数的温度依赖曲线的结果比较 

相关研究工作以“Improving quantification of hydrogen peroxide by synchrotron vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometry”为题,发表在国际燃烧学会会刊《Combustion and Flame》上。 
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2022.112214